DE102016122888A1 - Solid oxide fuel cell, fuel cell stack and process for producing a solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Festoxidbrennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit wenigstens folgenden Merkmalen:eine mechanische Stützstruktur aus einem offenporigen Metallschaummaterial,eine auf der Oberfläche des Metallschaummaterials der Stützstruktur aufgebrachte, in das Metallschaummaterial im Wesentlichen nicht eindringende und darauf gasdicht aufgebrachte Anodenschicht der MEA,eine Elektrolytmembran der MEA aus einem Festoxidmaterial,eine Kathodenschicht der MEA.Die Erfindung betrifft außerdem einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Festoxidbrennstoffzelle.The invention relates to a solid oxide fuel cell with a membrane electrode assembly (MEA) having at least the following features: a mechanical support structure of an open-pore metal foam material, an anode layer of the MEA applied to the surface of the metal foam material of the support structure, substantially not penetrating the metal foam material and gas-tightly applied thereto The electrolyte membrane of the MEA made of a solid oxide material, a cathode layer of the MEA.Die invention also relates to a fuel cell stack and a method for producing a solid oxide fuel cell.
Description
Die Erfindung betrifft eine Festoxidbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, einen Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 9, 10 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Festoxidbrennstoffzelle gemäß Anspruch 11.The invention relates to a solid oxide fuel cell according to claim 1, a fuel cell stack according to any one of
Brennstoffzellen dienen, ähnlich wie Batterien, der direkten Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das Kernstück einer Brennstoffzelle ist die Membranelektrodeneinheit oder Membranelektrodenanordnung (MEA, Membrane Electrode Assembly), die aus einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht sowie einer die Anodenschicht von der Kathodenschicht trennende Elektrolytmembran besteht. Zur Stromerzeugung wird der Anodenschicht Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt, während der Kathodenschicht Oxidationsgas, beispielsweise Luft, zugeführt wird. Dabei kommt es zu einer Oxidation von Brenngas an der Anodenschicht, wobei die vom Brenngas abgegebenen Elektronen über eine elektrisch leitende Verbindung von der Anodenschicht zur Kathodenschicht wandern, wo sie das Oxidationsgas reduzieren. Die dabei entstehenden negativen Oxidationsgasionen kombinieren mit den positiv geladenen Brenngasionen. Wird beispielsweise als Brenngas Wasserstoff (H2) und als Oxidationsgas Sauerstoff (O2) verwendet, so kombinieren im Falle einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) Sauerstoffionen O2- in und an der Anodenschicht mit Wasserstoffionen H+ zu Wassermolekülen H2O. Die dabei freigesetzte Energie kann genutzt werden, indem zwischen die Anode und die Kathode eine Verbraucherlast geschaltet wird.Like batteries, fuel cells serve to directly convert chemical energy into electrical energy. The core of a fuel cell is the membrane electrode assembly or membrane electrode assembly (MEA), which consists of an anode layer, a cathode layer and an electrolyte membrane separating the anode layer from the cathode layer. For generating electricity, the anode layer is supplied with fuel gas, for example hydrogen, while the cathode layer is supplied with oxidizing gas, for example air. This results in an oxidation of fuel gas at the anode layer, wherein the electrons emitted from the fuel gas migrate via an electrically conductive connection from the anode layer to the cathode layer, where they reduce the oxidation gas. The resulting negative oxidation gas ions combine with the positively charged fuel gas ions. If, for example, hydrogen (H 2 ) is used as the fuel gas and oxygen (O 2 ) is used as the oxidizing gas, oxygen ions O 2- in and at the anode layer combine with hydrogen ions H + to form water molecules H 2 in the case of a solid oxide fuel cell (SOFC) O. The released energy can be used by switching a load between the anode and the cathode.
Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe elektrische Spannung (typischerweise zwischen 0.1 V und 1 V) zur Verfügung stellt, ist es üblich, viele Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellenstack) elektrisch hintereinander zu schalten, so dass sich die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen des Stapels addieren. Dabei wird jeweils die Kathodenschicht einer Brennstoffzelle mit der Anodenschicht der angrenzenden Brennstoffzelle über eine Bipolarplatte verbunden. Die Bipolarplatte trennt dabei einen Strömungsbereich des Brenngases von einem Strömungsbereich des Oxidationsgases.Since a single fuel cell provides only a low electrical voltage (typically between 0.1 V and 1 V), it is common to electrically connect many fuel cells in the form of a fuel cell stack (fuel cell stack) so that the voltages of the individual fuel cells of the stack add. In each case, the cathode layer of a fuel cell is connected to the anode layer of the adjacent fuel cell via a bipolar plate. The bipolar plate separates a flow region of the fuel gas from a flow region of the oxidation gas.
Bei einer Festoxidbrennstoffzelle ist die Elektrolytmembran aus einem festen Werkstoff gebildet, z.B. einem keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen dennoch isolierend zu wirken. Festoxidbrennstoffzellen gelten als Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die bei einer Betriebstemperatur von z.B. 650°C bis 1000°C betrieben werden.In a solid oxide fuel cell, the electrolyte membrane is formed of a solid material, e.g. a ceramic material that is capable of conducting oxygen ions but still acts as an insulator for electrons. Solid oxide fuel cells are considered to be high temperature fuel cells that operate at an operating temperature of, e. 650 ° C to 1000 ° C are operated.
Es gibt ferner bereits Vorschläge für metallschaumgestützte Festoxidbrennstoffzellen (MFS-SOFC: Metal Foam Supported SOFC), z.B. in der Veröffentlichung „Metal supported SOFC on the gradient permeable metal foam substrate“, Advanced Materials Research Vols. 123-125 (2010), Seiten 1083-1086.There are also proposals for metal foam-supported solid oxide fuel cells (MFS-SOFC: Metal Foam Supported SOFC), e.g. in the publication "Metal supported SOFC on the gradient permeable metal foam substrate", Advanced Materials Research Vols. 123-125 (2010), pages 1083-1086.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche MFS-SOFC hinsichtlich der Herstellung und der Anwendungsfunktionalität zu verbessern. Ferner soll ein vorteilhafter Brennstoffzellenstapel mit solchen MFS-SOFC angegeben werden.The invention has for its object to improve such MFS SOFC in terms of production and application functionality. Furthermore, an advantageous fuel cell stack is to be specified with such MFS-SOFC.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch eine Festoxidbrennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit wenigstens folgenden Merkmalen:
- a) eine mechanische Stützstruktur aus einem offenporigen Metallschaummaterial,
- b) eine auf der Oberfläche des Metallschaummaterials der Stützstruktur aufgebrachte, in das Metallschaummaterial im Wesentlichen nicht eindringende und darauf gasdicht aufgebrachte Anodenschicht der MEA,
- c) eine Elektrolytmembran der MEA aus einem Festoxidmaterial,
- d) eine Kathodenschicht der MEA.
- a) a mechanical support structure of an open-pore metal foam material,
- b) an anode layer of the MEA, which is applied to the surface of the metal foam material of the support structure and essentially does not penetrate the metal foam material and is applied in a gas-tight manner thereto;
- c) an electrolyte membrane of the MEA made of a solid oxide material,
- d) a cathode layer of the MEA.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle bei vergleichsweise geringen Betriebstemperaturen betrieben werden kann, z.B. unterhalb von 600°C. Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Festoxidbrennstoffzelle schneller betriebsbereit ist, da sie schneller „hochgefahren“ werden kann. Dies ist möglich, weil bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kaum oder zumindest wesentlich weniger mechanische Spannungen beim Hochfahren auftreten, die sich aus unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der aneinander angrenzenden Materialien ergeben, z.B. des Metallschaummaterials und des Anodenschicht-Materials. Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle eine verbesserte Dauerhaltbarkeit und somit Lebensdauer aufweist, insbesondere eine erhöhte Anzahl von möglichen An- und Abschaltvorgängen (Temperaturzyklen).The invention has the advantage that the fuel cell according to the invention can be operated at comparatively low operating temperatures, e.g. below 600 ° C. A further advantage is that the solid oxide fuel cell according to the invention is ready for use more quickly, since it can be "booted up" faster. This is possible because in the fuel cell according to the invention scarcely or at least significantly less mechanical stresses occur during start-up, which result from different coefficients of thermal expansion of the adjoining materials, e.g. the metal foam material and the anode layer material. A further advantage is that the fuel cell according to the invention has an improved durability and thus lifetime, in particular an increased number of possible startup and shutdown processes (temperature cycles).
Ferner lässt sich bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle eine deutlich größere Dreiphasengrenze im Bereich der Schichten der MEA realisieren, was wiederum zu einer deutlich erhöhten Stromausbeute und Leistungsdichte im Vergleich zu konventionellen Brennstoffzellen führt.Furthermore, a significantly larger three-phase limit in the region of the layers of the MEA can be realized in the fuel cell according to the invention, which in turn leads to a significantly increased current efficiency and power density compared to conventional fuel cells.
Die Festoxidbrennstoffzelle kann z.B. eine Brenngaskammer aufweisen oder mit einer Brenngaskammer gekoppelt sein. Die Brenngaskammer ist dann in fluidischer Verbindung mit der Anodenschicht der MEA, sodass der Anodenschicht ein Brenngas zugeführt werden kann. Die Festoxidbrennstoffzelle kann ferner eine Luftkammer oder mit einer Luftkammer gekoppelt sein. Die Luftkammer ist dann in fluidischer Verbindung mit der Kathodenschicht der MEA. Auf diese Weise kann der Kathodenschicht Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas oder Sauerstoff zugeführt werden. Die Anodenschicht kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie gar nicht in das Metallschaummaterial eindringt.For example, the solid oxide fuel cell may include a fuel gas chamber or may be coupled to a fuel gas chamber. The fuel gas chamber is then in fluid communication with the anode layer of the MEA, such that a fuel gas may be supplied to the anode layer. The solid oxide fuel cell may further be coupled to an air chamber or to an air chamber. The air chamber is then in fluid communication with the cathode layer of the MEA. In this way, the cathode layer, air or other oxygen-containing gas or oxygen can be supplied. The anode layer may in particular be designed such that it does not penetrate into the metal foam material at all.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Festoxidmaterial der Elektrolytmembran in einer zur Stützstruktur hin verringernden Konzentration in die Anodenschicht hinein erstreckt. Auf diese Weise können die Grenzflächen zwischen der Anodenschicht und der Elektrolytmembran vergrößert werden (Vergrößerung der Dreiphasengrenze), was die erwähnte erhöhte Stromausbeute und Leistungsdichte unterstützt. Das Festoxidmaterial der Elektrolytmembran kann sich dabei bis hin zur Außenseite der Anodenschicht hin erstrecken, d.h. bis zur Grenzfläche, an der die Anodenschicht an die mechanische Stützstruktur angrenzt. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the solid oxide material of the electrolyte membrane extends into the anode layer in a concentration which reduces toward the support structure. In this way, the interfaces between the anode layer and the electrolyte membrane can be increased (increase in the three-phase boundary), which supports the aforementioned increased current efficiency and power density. The solid oxide material of the electrolyte membrane may extend all the way to the outside of the anode layer, i. to the interface at which the anode layer is adjacent to the mechanical support structure.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Festoxidmaterial der Elektrolytmembran mit einer von der Stützstruktur fort verringernden Konzentration in die Kathodenschicht der MEA hinein erstreckt. Auf diese Weise kann die Grenzfläche zwischen der Elektrolytmembran und der Kathodenschicht vergrößert werden (Vergrößerung der Dreiphasengrenze), was die erwähnte erhöhte Stromausbeute und Leistungsdichte unterstützt. Das Festoxidmaterial der Elektrolytmembran kann sich dabei bis hin zur Außenseite der Kathodenschicht hin erstrecken, d.h. bis zur Grenzfläche, an der die Kathodenschicht an eine weitere mechanische Stützstruktur angrenzt oder mit der Luftkammer verbunden ist. Die Vergrößerung der Grenzfläche auf der Kathodenschicht-Seite kann ferner durch einen porösen Schichtaufbau der MEA unterstützt werden.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the solid oxide material of the electrolyte membrane extends into the cathode layer of the MEA with a concentration which decreases further away from the support structure. In this way, the interface between the electrolyte membrane and the cathode layer can be increased (increase in the three-phase boundary), which supports the mentioned increased current efficiency and power density. The solid oxide material of the electrolyte membrane may extend all the way to the outside of the cathode layer, i. to the interface at which the cathode layer is adjacent to another mechanical support structure or connected to the air chamber. The enlargement of the interface on the cathode layer side can be further assisted by a porous layer structure of the MEA.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Brenngaskammer der Festoxidbrennstoffzelle zumindest teilweise durch die mechanische Stützstruktur aus dem offenporigen Metallschaummaterial gebildet ist oder durch diese Stützstruktur mit der Anodenschicht verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die Brennstoffzelle vom Aufbau her kompakt gehalten werden kann, da das Metallschaummaterial der mechanischen Stützstruktur zumindest teilweise zugleich als Brenngaskammer dienen kann.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a fuel gas chamber of the solid oxide fuel cell is at least partially formed by the mechanical support structure of the open-cell metal foam material or is connected by this support structure with the anode layer. This has the advantage that the fuel cell can be kept compact in structure, since the metal foam material of the mechanical support structure can at least partially serve as a fuel gas chamber at the same time.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Außenseite der Kathodenschicht eine weitere mechanische Stützstruktur aus einem offenporigen Metallschaummaterial angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine mechanisch besonders robuste Brennstoffzelle realisiert, die hohen äußeren Belastungen standhalten kann, insbesondere Vibrationsbelastungen. Die weitere mechanische Stützstruktur aus dem offenporigen Schaummaterial kann zumindest einen Teil der Luftkammer bilden. Auch dies unterstützt den kompakten Aufbau der Brennstoffzelle.According to an advantageous development of the invention it is provided that on the outside of the cathode layer, a further mechanical support structure of an open-cell metal foam material is arranged. In this way, a mechanically particularly robust fuel cell is realized, which can withstand high external loads, in particular vibration loads. The further mechanical support structure of the open-cell foam material may form at least a part of the air chamber. This also supports the compact design of the fuel cell.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die MEA ohne gesinterte Materialbereiche gebildet ist. Auf diese Weise kann eine MEA mit hoher Materialhomogenität realisiert werden, die weitgehend unempfindlich gegenüber mechanischen Vibrationen ist und eine hocheffiziente elektrische Funktionalität aufweist. Die MEA kann z.B. mittels Gasphasenabscheidung hergestellt werden, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the MEA is formed without sintered material regions. In this way, an MEA with high material homogeneity can be realized, which is largely insensitive to mechanical vibrations and has a highly efficient electrical functionality. The MEA may e.g. be prepared by vapor deposition, as will be explained in more detail below.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die MEA entlang seitlicher Grenzflächen der mechanischen Stützstruktur verläuft. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle einfacher und robuster hergestellt werden, da die abzudichtenden Verbindungen bzw. Grenzflächen reduziert werden können, z.B. um 33 %. Dementsprechend treten bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle Dichtigkeitsprobleme und damit verbundene Funktionsverschlechterungen mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the MEA runs along lateral boundary surfaces of the mechanical support structure. In this way, the fuel cell can be made simpler and more robust since the joints or interfaces to be sealed can be reduced, e.g. by 33%. Accordingly, in the fuel cell according to the invention, leakage problems and associated functional deteriorations are less likely to occur.
Die Festoxidbrennstoffzelle kann in Draufsicht eine insgesamt runde Querschnittsform oder zumindest eine Querschnittsform mit abgerundeten Ecken aufweisen. Auf diese Weise wird die mechanische Robustheit und Dauerhaltbarkeit der Brennstoffzelle weiter verbessert.The solid oxide fuel cell may have in plan view a total round cross-sectional shape or at least a cross-sectional shape with rounded corners. In this way, the mechanical robustness and durability of the fuel cell is further improved.
Das Metallschaummaterial kann z.B. ein Nickelschaum sein. Die Anodenschicht kann z.B. durch Yttrium, Zirkon, Nickel oder eine Mischung daraus gebildet sein, z.B. durch YSZ. Es kann auch eine Legierung mit einem der zuvor genannten Metalle sein, z.B. Nickel-Aluminium. Zur Bildung der Elektrolytmembran kann Yttrium und/oder Zirkon genutzt werden. Für die Kathodenschicht kann z.B. Platin und/oder LSM genutzt werden.The metal foam material may e.g. to be a nickel foam. The anode layer may e.g. by yttrium, zirconium, nickel or a mixture thereof, e.g. through YSZ. It may also be an alloy with one of the aforementioned metals, e.g. Nickel-aluminum. Yttrium and / or zircon can be used to form the electrolyte membrane. For the cathode layer, e.g. Platinum and / or LSM are used.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel, der eine gestapelte Anordnung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen der zuvor erläuterten Art aufweisen. Auch hierdurch lassen sich die zuvor erläuterten Vorteile realisieren.The aforementioned object is further achieved by a fuel cell stack having a stacked arrangement of a plurality of solid oxide fuel cells of the type described above. This also makes it possible to realize the advantages explained above.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel, der eine gestapelte Anordnung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen aufweist, z.B. Festoxidbrennstoffzellen der zuvor erläuterten Art oder anderer, bekannter Art, wobei benachbarte Brennstoffzellen mit ihrer jeweiligen Anodenseite der MEA oder mit ihrer jeweiligen Kathodenseite der MEA einander zuweisend angeordnet sind. Auf diese Weise wird der Brennstoffzellenstapel mit den einzelnen Brennstoffzellen in einer Art „Janus-Prinzip“ angeordnet, sodass unmittelbar benachbarte Brennstoffzellen elektrisch parallel zu schalten sind. Dieser Aufbau des Brennstoffzellenstapels erlaubt eine vereinfachte Ausführung der einzelnen Brennstoffzellen, da Gaszuleitungsstrukturen und Gasableitungsstrukturen sowie die erforderlichen Metallschaum-Stützstrukturen reduziert werden können. Auch die eingangs genannte Bipolarplatte kann entfallen. Zudem wird hierdurch die Herstellung, Gasversorgung und der Stackzusammenbau gegenüber Brennstoffzellenstapeln konventioneller Art deutlich vereinfacht.The object mentioned at the outset is furthermore achieved by a fuel cell stack which has a stacked arrangement of several Has solid oxide fuel cells, for example, solid oxide fuel cells of the type described above or other, known type, wherein adjacent fuel cells with their respective anode side of the MEA or with their respective cathode side of the MEA are arranged facing each other. In this way, the fuel cell stack is arranged with the individual fuel cells in a kind of "Janus principle", so that immediately adjacent fuel cells are to be electrically connected in parallel. This structure of the fuel cell stack allows a simplified execution of the individual fuel cells, since gas supply structures and gas discharge structures and the required metal foam support structures can be reduced. Also, the aforementioned bipolar plate can be omitted. In addition, this significantly simplifies the production, gas supply and stack assembly compared to conventional fuel cell stacks.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Festoxidbrennstoffzelle, die eine mechanische Stützstruktur aus einem offenporigen Metallschaummaterial aufweist, mit folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen der mechanischen Stützstruktur aus dem offenporigen Metallschaummaterial,
- b) Erzeugen einer in das Metallschaummaterial im Wesentlichen nicht eindringenden und darauf gasdicht aufgebrachten Anodenschicht einer MEA der Festoxidbrennstoffzelle,
- c) Fertigstellen der MEA mit einer Elektrolytmembran und einer Kathodenschicht.
- a) providing the mechanical support structure of the open-pore metal foam material,
- b) producing an anode layer of an MEA of the solid oxide fuel cell which does not penetrate the metal foam material in a gas-tight manner and is applied thereon in a gas-tight manner;
- c) Completing the MEA with an electrolyte membrane and a cathode layer.
Auch hierdurch lassen sich die zuvor erläuterten Vorteile realisieren. Auf diese Weise kann insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelle der zuvor erläuterten Art hergestellt werden.This also makes it possible to realize the advantages explained above. In this way, in particular a solid oxide fuel cell of the type described above can be produced.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mechanische Stützstruktur vor dem Aufbringen der Anodenschicht mit einem die Poren des offenporigen Metallschaummaterials der Stützstruktur ausfüllenden, aushärtbaren Infiltrationsmaterial infiltriert wird. Dies hat den Vorteil, dass mittels des Infiltrationsmaterials das offenporige Metallschaummaterial zumindest temporär geschlossen werden kann, d.h. die Poren werden ausgefüllt, sodass auf diese Weise verhindert werden kann, dass das darauf aufgebrachte Material der Anodenschicht in das Metallschaummaterial eindringt. Die mit der Anodenschicht zu beschichtende Oberfläche der mit dem Infiltrationsmaterial ausgefüllten mechanischen Stützstruktur kann z.B. vor dem Aufbringen der Anodenschicht geglättet werden, z.B. durch Anschleifen und/oder Polieren. Das Anschleifen und/oder Polieren erfolgt soweit, dass der Metallschaum erreicht ist. Auf diese Weise kann besonders effektiv verhindert werden, dass Material der MEA, insbesondere der Elektrolytmembran, in das Metallschaummaterial der Stützstruktur eindringt. Das Infiltrationsmaterial kann z.B. ein Polymer sein, das über einen Härter aushärtbar ist.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the mechanical support structure is infiltrated before the application of the anode layer with a curable infiltration material filling the pores of the open-pore metal foam material of the support structure. This has the advantage that the open-pore metal foam material can be at least temporarily closed by means of the infiltration material, i. the pores are filled, so that it can be prevented in this way that the deposited material of the anode layer penetrates into the metal foam material. The surface of the mechanical support structure filled with the infiltrating material to be coated with the anode layer may be e.g. be smoothed before applying the anode layer, e.g. by grinding and / or polishing. The grinding and / or polishing takes place so far that the metal foam is reached. In this way it can be particularly effectively prevented that material of the MEA, in particular the electrolyte membrane, penetrates into the metal foam material of the support structure. The infiltrating material may e.g. a polymer that is curable via a hardener.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Infiltrationsmaterial nach Fertigstellen der MEA oder zumindest der Anodenschicht aus der Stützstruktur wieder entfernt wird. Das Entfernen des Infiltrationsmaterials kann z.B. durch thermische und/oder chemische Einflussnahme erfolgen. So kann z.B. ein Infiltrationsmaterial mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt durch Erwärmung in den flüssigen und/oder gasförmigen Zustand überführt werden, sodass es auf diese Weise aus der Stützstruktur entfernt werden kann. Das chemische Entfernen des Infiltrationsmaterials kann z.B. durch Einbringen eines Lösemittels, z.B. Aceton, durchgeführt werden. Auf diese Weise wird das Infiltrationsmaterial aufgelöst und mit dem Lösemittel aus der Stützstruktur entfernt.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the infiltration material is removed from the support structure after completion of the MEA or at least the anode layer. The removal of the infiltrating material may e.g. done by thermal and / or chemical influence. Thus, e.g. a relatively low melting point infiltrating material can be converted to the liquid and / or gaseous state by heating, so that it can be removed from the support structure in this way. The chemical removal of the infiltrating material may e.g. by introducing a solvent, e.g. Acetone, to be performed. In this way, the infiltration material is dissolved and removed with the solvent from the support structure.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anodenschicht, die Elektrolytmembran und/oder die Kathodenschicht der MEA mittels Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Auf diese Weise kann die MEA mit den erwähnten drei Schichten auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass mittels der Gasphasenabscheidung, z.B. in einem Koverdampfungsprozess, die erwähnten Übergänge des Festoxidmaterials der Elektrolytmembran in die Anodenschicht und/oder in die Kathodenschicht realisiert werden können. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass in dem Gasphasenabscheidungsprozess zunächst das Anodenschicht-Material mit hoher Konzentration verdampft wird, sodann wird das Festoxidmaterial der Elektrolytmembran mit ansteigender Konzentration hinzugegeben, wobei die Abscheidung des Anodenschicht-Materials reduziert wird. Schließlich wird zu einem späteren Zeitpunkt die Abscheiderate des Festoxidmaterials reduziert, während zugleich die Abscheiderate des Kathodenschicht-Materials erhöht wird.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the anode layer, the electrolyte membrane and / or the cathode layer of the MEA are produced by means of vapor deposition. In this way, the MEA can be produced with the mentioned three layers in a simple, fast and cost-effective manner. Another advantage is that by means of vapor deposition, e.g. in a Koverdampfungsprozess, the aforementioned transitions of the solid oxide material of the electrolyte membrane in the anode layer and / or in the cathode layer can be realized. This can e.g. in that, in the vapor deposition process, first the anode layer material is vaporized at high concentration, then the solid oxide material is added to the electrolyte membrane with increasing concentration, whereby the deposition of the anode layer material is reduced. Finally, at a later time, the deposition rate of the solid oxide material is reduced, while at the same time the deposition rate of the cathode layer material is increased.
Für die Gasphasenabscheidung können bekannte Prozesse der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD - chemical vapor deposition) oder der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD - physical vapor deposition) eingesetzt werden. Die Kathodenschicht kann alternativ durch andere Verfahren, wie z.B. thermisches Spritzen, aufgebracht werden.For the vapor deposition known processes of chemical vapor deposition (CVD - chemical vapor deposition) or physical vapor deposition (PVD - physical vapor deposition) can be used. The cathode layer may alternatively be replaced by other methods, e.g. thermal spraying, applied.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mechanische Stützstruktur an gegenüberliegenden äußeren Oberflächenseiten mit jeweils einer separaten Anodenschicht beschichtet wird. Auf diese Weise kann diese mechanische Stützstruktur eine gemeinsame Stützstruktur für zwei benachbarte Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels, der in der erwähnten Janus-Anordnung realisiert ist, bilden. Auf diese Weise kann ein derartiger Brennstoffzellenstapel besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the mechanical support structure is coated on opposite outer surface sides, each with a separate anode layer. In this way, this mechanical support structure a common Support structure for two adjacent fuel cell of a fuel cell stack, which is realized in the aforementioned Janus arrangement form. In this way, such a fuel cell stack can be produced in a particularly simple and cost-effective manner.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Festoxidbrennstoffzelle in Schnittdarstellung und -
2 eine Ausschnittsvergrößerung aus1 sowie ein Diagramm der Materialkonzentrationen in der MEA und -
3 einen Brennstoffzellenstapel in Schnittdarstellung und -
4 eine weitere Ausführungsform einer Festoxidbrennstoffzelle in Schnittdarstellung und -
5 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels in Schnittdarstellung.
-
1 a solid oxide fuel cell in a sectional view and -
2 an excerpt from1 as well as a diagram of the material concentrations in the MEA and -
3 a fuel cell stack in section and -
4 a further embodiment of a solid oxide fuel cell in a sectional view and -
5 a further embodiment of a fuel cell stack in a sectional view.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.In the figures, like reference numerals are used for corresponding elements.
Die in der
Die Stützstruktur
Die
Die
Die Zuführungsleitungen und Abführungsleitungen
Bei der Brennstoffzelle gemäß
Die
Der Beschichtungsprozess gliedert sich zudem in drei Phasen. In der ersten Phasen wird neben Yttrium und Zirkon auch Nickel verdampft und auf das Substrat aufgebracht. Dabei liegt der Nickelanteil zwischen 25 % und 75 % in der entstehenden Schicht. Der Nickelanteil wird in diskreten Schritten oder kontinuierlich gesenkt bis kein Nickel mehr zugegeben wird. Bevorzugt passiert dies in den ersten 2,5 µm der Schicht. In der zweiten Prozessphase wird nur Yttrium und Zirkon abgeschieden. Die erzeugte Schichtdicke kann hier bis zum 500 µm betragen, bevorzugt liegt die Schichtdicke hier zwischen 5 µm und 30 µm. Werden herkömmliche Verfahren zur Kathodenschichterzeugung verwandt endet der Beschichtungsprozess hier. Bei der bevorzugten Prozessführung wird in der dritten Phase Platin mit verdampft. Dabei wird der Platinanteil in diskreten Schritten oder kontinuierlich bis zur gewünschten Schichtzusammensetzung mit einem Platinanteil zwischen 25 % und 75 % gesteigert.The coating process is also divided into three phases. In the first phase, in addition to yttrium and zirconium, nickel is also evaporated and applied to the substrate. The nickel content is between 25% and 75% in the resulting layer. The nickel content is lowered in discrete steps or continuously until nickel is no longer added. This preferably happens in the first 2.5 μm of the layer. In the second process phase, only yttrium and zirconium are separated. The layer thickness produced here can be up to 500 microns, preferably, the layer thickness is between 5 microns and 30 microns here. If conventional methods for cathode layer production are used, the coating process ends here. In the preferred process, platinum is vaporized in the third phase. In this case, the platinum content in discrete steps or continuously increased to the desired layer composition with a platinum content between 25% and 75%.
Sowohl Kathode als auch Anode können zur Vergrößerung der Dreiphasengrenze porös ausgeführt sein. Dabei wird der Prozessdruck bei der Beschichtung (normal zwischen 0,2 Pa und 1,0 Pa) deutlich gesteigert.Both the cathode and the anode may be made porous to increase the three-phase boundary. The process pressure during the coating (normally between 0.2 Pa and 1.0 Pa) is significantly increased.
Im Anschluss an die Beschichtung und die eventuelle Herstellung der Kathodenschicht wird das Infiltrat chemisch oder thermisch verflüssigt und aus dem Metallschaum entfernt. Der Metallschaum kann vor Prozessbeginn in eine entsprechende Rahmenstruktur integriert werden.Following the coating and eventual manufacture of the cathode layer, the infiltrate is chemically or thermally liquefied and removed from the metal foam. The metal foam can be integrated into a corresponding frame structure before the start of the process.
Der Aufbau der Brennstoffzelle besteht neben der oberen und unteren Deckplatte aus einem Metallschaum, vorzugsweise Nickel unter Umständen auch andere Materialien möglich, sowie der durch das Verfahren aufgebrachten und einseitig mit dem Metallschaum verbundenen MEA. Dies MEA besteht aus drei verschiedenen Schichten. Ausgehend von fest angebundenem Metallschaum folgt zunächst eine gemischte Schicht aus Anodenmaterial, in diesem Fall Nickel und YSZ. Die Anteile in dieser Schicht können dabei an der Oberfläche im Bereich von 25 % bis 75 % Nickel variieren. Die Schicht besitzt typischerweise, aber nicht zwingend, einen graduellen Aufbau bei abnehmenden Nickelanteil. Die Schichtdicke beträgt typischerweise weniger als 2,5 µm, kann aber auch dicker ausfallen. Auf diese Schicht folgt eine Elektrolytschicht bestehend aus YSZ. Auf diese wird eine gemischte Schicht aus Kathodenmaterial, hier Platin - andere Materialien möglich, und YSZ aufgebracht. Auch hier können die Platinanteile zwischen 5 % und 75 % variieren. Die dritte Schicht weist typischerweise einen graduellen Aufbau auf. Kathodenseitig wird die elektrische Verbindung durch einen weiteren Metallschaum realisiert, dieser kann dabei durch Fügeverfahren wie dem Löten mit der Zelle verbunden sein oder nur aufgelegt werden. Dieser Metallschaum wird von einem Rahmen umschlossen. Die gesamte Zelle ist gegen Undichtigkeit mit Dichtungen verschiedener Ausprägung abgedichtet. Die Gaszufuhr erfolgt z.B. durch Bohrungen im Rahmen.The structure of the fuel cell is made of a metal foam in addition to the upper and lower cover plate, preferably other materials possibly nickel, and the applied by the method and on one side connected to the metal foam MEA. This MEA consists of three different layers. Starting from firmly attached metal foam, a mixed layer of anode material follows, in this case nickel and YSZ. The proportions in this layer can vary on the surface in the range of 25% to 75% nickel. The layer typically, but not necessarily, has a gradual buildup with decreasing nickel content. The layer thickness is typically less than 2.5 microns, but may also be thicker. This layer is followed by an electrolyte layer consisting of YSZ. On this a mixed layer of cathode material, here platinum - other materials possible, and YSZ applied. Again, the platinum shares vary between 5% and 75%. The third layer typically has a gradual structure. On the cathode side, the electrical connection is realized by a further metal foam, this can be connected by joining methods such as soldering to the cell or just be hung up. This metal foam is enclosed by a frame. The entire cell is sealed against leaks with seals of various types. The gas supply takes place e.g. through holes in the frame.
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